Как подземные микробы помогают растениям решать надземные проблемы
Растения зависят как от подземных условий (почва, корневые микробы), так и от надземных (климат, свет). Значительная часть органических соединений (фотоассимилятов), производимых в листьях в процессе фотосинтеза, транспортируется в корни и выделяется в почву, поддерживая рост сложных микробных сообществ (бактерий, грибов, оомицетов). Однако степень влияния этих подземных микробов на реакции растений на надземный стресс была мало изучена.
Новое исследование в Nature Plants под руководством Стефана Аккара из Института Макса Планка в Кёльне проливает свет на эту связь.
Эксперименты с Arabidopsis thaliana
Учёные сравнили рост растений резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana) в стерильных условиях и при заселении сложным сообществом из 183 бактерий, 24 грибов и 7 оомицетов. Результаты показали:
- При недостатке света наличие корневых микробов спасало растения от дефицита роста.
- Растения с микробиотой также были устойчивее к листовым патогенам, чем стерильные.
Однако при низкой освещённости инвестиции в рост происходили за счёт защиты: индуцированные микробиотой защитные реакции снижались, и растения становились более восприимчивыми к патогенам.
Механизм выбора: рост vs. защита
Исследователи выдвинули гипотезу: при недостатке света растения предпочитают индуцированный микробами рост, а не защиту. Скрининг мутантов A. thaliana подтвердил это: мутанты, неспособные инвестировать в рост при слабом свете, лучше сопротивлялись патогенам. Ключевую роль в этом балансе играет транскрипционный фактор растения MYC2, который "склоняет чашу весов" в пользу роста в условиях низкой освещённости.
Роль состава микробиоты
Анализ состава корневой микробиоты у разных мутантов выявил, что бактериальное сообщество различается в зависимости от того, инвестирует ли растение в рост при слабом свете. Были идентифицированы 67 бактериальных штаммов, предположительно связанных со "спасением" роста.
Для проверки причинно-следственной связи были созданы три сообщества:
- Все 183 штамма.
- 183 штамма минус 67 "ростостимулирующих".
- Только 67 штаммов.
Результат был ярким: дикие растения, заселённые сообществом из 67 штаммов, инвестировали в рост при слабом свете. Те же, у кого не было этих бактерий, роста не демонстрировали, но были устойчивее к инфекции.
Выводы и перспективы
Как отмечает Стефан Аккар: "Наши результаты показывают, что реакции роста и защиты растений вовлечены в разные петли обратной связи с корневой микробиотой в зависимости от световых условий. Вероятно, изменения в профилях корневых экссудатов, вызванные светом, стимулируют рост специфических полезных бактерий-комменсалов, которые усиливают рост растения ценой ослабления защитных реакций при слабом свете".
Существование "микробиота-корень-побег" контуров у растений аналогично недавно открытой оси "микробиота-кишечник-мозг" у животных. Это указывает на важную роль бактерий-комменсалов (в корнях или кишечнике) в модуляции стрессовых реакций не только локально, но и в удалённых органах хозяина.
Полученные знания открывают путь к созданию синтетических микробных сообществ с заданными функциями для повышения устойчивости растений к биотическим и абиотическим стрессам и улучшения их здоровья в естественных условиях.